Cell Reports | 酰化修饰组学揭示精子发生过程中总组蛋白高乙酰化的分子机制

景杰生物|解读

编者按：在哺乳动物精子发生过程的晚期会发生一个独特的生理性的全基因组范围的组蛋白高乙酰化，并与随后发生的组蛋白-鱼精蛋白取代过程相关。鱼精蛋白与DNA结合形成高度浓缩的DNA-鱼精蛋白复合体使DNA处于稳定的非转录状态，所占空间极小，增强精子的灵活性，保护精子携带的基因组免受氧化及来自女性生殖系统内其他因子的破坏，满足精子在受精过程中的各种需要。组蛋白修饰的异常改变还可能会损伤精子的发育过程，导致雄性不育。然而，引发组蛋白高乙酰化的原因和影响，以及其在组蛋白移除中的作用尚不清楚。

Shiota 等研究者发现致癌因子Nut特异性表达于减数分裂后的雄性生殖细胞中，对雄性的生育能力至关重要。Nut通过募集p300和CBP蛋白提高组蛋白H4K5和H4K8的乙酰化，介导了组蛋白到精蛋白的替换。该成果揭晓了精子发生过程中雄性基因组最终致密化之前总组蛋白高乙酰化的分子机制，发表在Cell Reports 上。

文献解读

基于人和鼠组织中得到的转录组数据可以看到，NUT/Nut仅表达于睾丸组织中，但其组织特异性的作用以及其在雄性生殖细胞分化过程中的表达模式尚不清楚。本文研究者利用发育中的小鼠睾丸组织提取物，精确的定位Nut基因表达于精子形成过程中的减数分裂后精细胞中，在圆形精细胞的中晚期和延长形精细胞的早期大量累积。同时，Nut积累与已知的组蛋白H4高乙酰化的发生时间相对应（图1）。

研究者利用Nut基因敲除小鼠模型来研究Nut的生理作用，发现相较于野生型小鼠，Nut敲除小鼠睾丸更小，附睾中没有精子，且没有生育能力。组织学切片显示Nut敲除后精子细胞发育阻滞于圆形精细胞而不能形成染色质高度浓缩的延长形精细胞（图2）。

组蛋白H4乙酰化与组蛋白被过渡蛋白和鱼精蛋白取代有关。表达组蛋白取代蛋白TP1, TP2, Prm1和Prm2的野生型精原细胞中不表达组蛋白TH2B，然而在Nut敲除的精细胞中可以同时检测到TH2B与TP1, TP2, Prm1和Prm2的表达（图3），提示Nut缺失后组蛋白替代受损。

研究者为了进一步找到Nut缺失导致组蛋白替代缺陷的分子机制，利用体外同位素标记后液相色谱-串联质谱检测技术，提取野生型和Nut敲除小鼠在精细胞处于圆形和早期延长形阶段睾丸组织进行组蛋白转录后修饰进行对比分析，发现Nut敲除后组蛋白H4和H2乙酰化水平下降，在H4K5, H4K8, H2AK5和H2AK9位点尤为显著（图4）。这说明Nut可促进组蛋白H4高乙酰化以实现的组蛋白替代。

研究者在前期的工作中发现在NUM中线癌中BRD4-NUT融合蛋白通过募集乙酰转移酶p300和CBP介导组蛋白的高乙酰化，因而试图在精细胞发育的生理情况下验证Nut是否同样通过与p300和CBP相互作用促进组蛋白的乙酰化。通过比较野生型和Nut敲除型圆形和延长形早期阶段精细胞的转录组信息发现了与Nut缺失相关的一套基因表达改变。与不同发育期野生型雄性生殖细胞的转录组信息比对发现，需要Nut激活表达的基因通常活跃表达于减数分裂后尤其是圆形晚期以及延长形早期的精细胞中。基因富集分析（GSEA）发现，减数分裂后靶向缺失p300和CBP蛋白的精细胞中，p300和CBP调控的基因在Nut KO小鼠的转录组改变中呈现明显的富集（图5），支持Nut-p300和CBP通过介导全组蛋白乙酰化，影响精子发育晚期相关基因的表达激活。

为了验证Nut是否还募集其他的组蛋白乙酰转移酶，研究者将抗Nut抗体免疫沉淀产物进行蛋白质组分析，发现在已知的组蛋白乙酰转移酶中仅p300和CPB存在且富集于野生型小鼠提取的Nut免疫沉淀产物（图6）。

为了寻找Nut在组蛋白乙酰化过程中的整体作用，并更加深入的评估NUT对p300乙酰化组蛋白特异位点的作用，研究者将纯化的重组p300与NUT片段和组蛋白八聚体共孵育，液相色谱-串联质谱定量分析发现，加入与p300作用片段的NUT增强了p300对组蛋白H3和H4尾部的乙酰化（图7）。

本文通过定量研究的方法发现Nut通过刺激组蛋白乙酰化酶p300和CBP 驱动细胞类型特异性的H4高乙酰化，为染色质替换做准备，揭示了Nut在雄性生殖细胞减数分裂后发育阶段的重要作用。该研究结果强调了特殊的辅助因子可以在特定环境中增强泛表达的染色质修饰酶的活性，引起组织和细胞特异性的大范围染色质修饰，而类似因子的异位激活则可导致NMC中线癌等癌症的发生。